Лабораторный счётчик семян для мелкосемянных культур

УДК 631.362.36

Лабораторный счётчик семян для мелкосемянных культур

Абрамов И. Л., кандидат технических наук

Прокофьев С. В.

ФГБНУ «Федеральный научный центр лубяных культур», лаборатория агроинженерных технологий

170041, Россия, г. Тверь, Комсомольский пр-т, д. 17/56

E-mail: i.abramov@vmiiml.ru

В статье рассмотрена проблема обеспечения селекционных лабораторий оборудованием для счёта семян. Рассмотрены используемые в настоящее время приборы для счёта семян, отмечены их преимущества и недостатки. Создание счётчика семян, способного обрабатывать мелкосемянные культуры, имеющего низкую стоимость, но при этом современную электронную элементную базу, является актуальным. На основании вышесказанного была поставлена задача разработать конструктив, электронную схему и программное обеспечение автоматизированного счётчика семян. При проектировании были применены следующие технические решения: вибролотковый способ подачи семян в счётное устройство позволил обеспечить равномерное продвижение мелких семян по питающему жёлобу; инфракрасная оптопара в качестве счётного элемента позволила обеспечить защиту от помех во время работы при засветке устройства дневным освещением. Для отладки и проверки разработанной конструкции счётного элемента и программного обеспечения для него, а также оценки точности его работы были проведены предварительные испытания конструкции на тестовом стенде. В качестве материала для счёта использовались семена льна-долгунца сорта Надежда и семена тимофеевки луговой сорта Карабиха. Результаты испытаний показали, что погрешность счёта не превышает 5%. Однако стоит отметить, что практически во всех экспериментах количество посчитанных семян было меньше фактически прошедших счётчик. Такая закономерность может быть объяснена тем, что во время испытаний накапливающийся в трубке и вибролотке мусор периодически попадал в счётное устройство и вызывал ложные срабатывания либо перекрывал интервал между попадающими в зазор оптопары семенами и мешал корректной работе. В следующей версии прибора предполагается использовать обдув падающих в воронку семян струей воздуха для предотвращения загрязнения счётного элемента.

Ключевые слова: счётчик семян, мелкосемянные культуры, инфракрасный оптический счётный элемент, микроконтроллерное управление.

Важным фактором повышения качества сельскохозяйственной продукции является селекционная работа по получению новых сортов и совершенствованию уже существующих. В практике селекционной работы одним из определяемых параметров является масса 100 и 1000 семян, что отражено в регламентирующих селекционную работу нормативных документах (ГОСТ 12042-80). Ручной отсчёт такого количества семян сложен, долог и утомителен, поэтому для этого применяются специализированные автоматические счётчики семян. Применяемые для этого лабораторные счётчики семян ещё советского производства в настоящее время уже не производятся отечественной промышленностью, а кроме того, устарели морально и физически. Сегодня на рынке присутствуют счётчики семян зарубежного производства, однако официально это оборудование в РФ не поставляется, что создаёт ряд проблем как с приобретением, так и с сервисным обслуживанием. Также эти счётчики имеют довольно высокую стоимость. Недорогие счётчики китайского производства и их отечественные аналоги предназначены для работы с семенами крупного и среднего размера, и при подсчёте семян, например, кормовой свёклы или тимофеевки луговой дают повышенную погрешность счёта.

Таким образом, можно говорить о том, что создание недорогого счётчика семян, способного обрабатывать мелкосемянные культуры, имеющего низкую стоимость, но при этом современную электронную элементную базу, является актуальным.

На основании вышесказанного была поставлена задача разработать конструктив, электронную схему и программное обеспечение автоматизированного селекционного счётчика семян.

Существующее аппаратное обеспечение. В настоящее время в лабораториях все ещё применяются морально устаревшие счётчики типа АСМ-1, представляющие собой конвейер с тарированной производительностью в единицу времени и не имеющие счётного элемента как такового. В силу своего возраста данные устройства имеют предельный физический износ, что отрицательно сказывается на точности их работы. Испытание такого счётчика показало, что точность выше ±25% он обеспечить не в состоянии.

Изучение представленных на рынке новых счётчиков китайского производства (Hinotek official site. Automatic seed counter SLY-C Plus) и их отечественных аналогов (Официальный сайт ООО «ЛТК») выявило факт, что недорогие устройства в основном предназначены для счёта семян крупного (кукуруза) и среднего (рис) размера, причём с этой задачей они справляются вполне хорошо, обеспечивая точность счёта ±2%.

Однако при счёте мелких семян (льна, кормовой свёклы, тимофеевки луговой) точность счёта резко снижается (до ±10%), что обусловлено применением щелевого способа подачи семян в счётное устройство, который в принципе плохо подходит для работы с семенами малого размера.

Счётные устройства западных производителей (Pfeuffer official site. Automatic seed counter Pfeuffer Contador) используют вибролотковый способ подачи семян в счётный элемент, что обеспечивает возможность работы с мелкосемянными структурами. Однако высокая стоимость таких устройств и отсутствие официального сервиса препятствуют их широкому распространению.

Методика исследований. Для достижения поставленной цели исследования необходимо было решить две задачи:

1. спроектировать как конструкцию механизма подачи семян в счётное устройство, так и само счётное устройство, способные работать с мелкосемянными культурами и обеспечивающие погрешность счёта не более ±5%;

2. разработать управляющую программу для микроконтроллера, управляющего счётчиком.

Проектирование механической части осуществлялось в программном комплексе системы автоматического проектирования (САПР) SolidWorks 2020. Использование этого программного пакета позволяет не только создать сборку в режиме 3D-проектирования, но и сразу же получить комплект исполнительной документации для производства её отдельных деталей. Кроме того, пакеты расширения позволяют сразу же производить инженерный анализ (прочность, кинематика и другие параметры) конструируемой сборки.

Разработка управляющей программы для микроконтроллера осуществлялась в программном пакете Arduino IDE версии 1.8.13. Такой выбор был обусловлен двумя факторами: во-первых, применением в качестве управляющего микроконтроллера ATMega 328P (Atmel official site. ATMega328P datasheet), а во-вторых, наличием большого количества имеющихся готовых библиотек для разработки программного обеспечения.

При проектировании были применены следующие технические решения:

1. вибролотковый способ подачи семян в счётное устройство позволил обеспечить равномерное продвижение мелких семян по питающему жёлобу;
2. инфракрасная оптопара в качестве счётного элемента позволила обеспечить защиту от помех во время работы при засветке устройства дневным освещением.

Результаты исследований. Внешний вид разработанной модели представлен на рис. 1. Виброподача семян реализована при помощи лотка, имеющего регулируемый угол наклона, что отличает разработанный счётчик от устройства Pfeuffer Contador, и представляющего собой закреплённое на приборе основание, на котором на четыре направляющих надет съемный лоток с бункером и жёлобом для семян. Ширина жёлоба может варьироваться, в зависимости от размера считаемых семян, в пределах от 1 до 10 мм. На передней панели расположены два энкодера управления, предназначенные для перемещения по меню и выбора необходимых опций, а также для регулировки угла наклона жёлоба и уровня вибрации.

1. Общий вид лабораторного счётчика семян

Меню управления и отображения результата счёта отображается на символьном экране размером 20 символов в четырёх строках.

Также на передней панели находится USB-b-порт, предназначенный для обновления программного обеспечения микроконтроллера. Устройство закрыто защитным кожухом.

Внутреннее устройство счётчика представлено на рис. 2. Как видно из рисунка, устройство счётчика представляет собой виброгрохот, приводимый в движение электромотором. В целях виброизоляции движущейся верхней пластины от электронных компонентов счётчика использованы цилиндрические пружины сжатия. Для регулировки угла наклона подающего лотка используется сервопривод с проволочной тягой.

1. Лабораторный счётчик семян (вид со снятым кожухом)

Управление скоростью вибромотора реализовано с помощью драйвера коллекторного двигателя, а управление всей машиной осуществляется при помощи микроконтроллера ATMega 328P (Atmel official site).

На рис. 3 представлен счётный элемент, который состоит из инфракрасной оптопары и аналого-цифрового преобразователя, генерирующего импульсы при прерывании луча. Направление семян для прохода через луч ИК-излучения осуществляется при помощи пластиковой воронки,

1. Внешний вид счётного элемента лабораторного счетчика семян

изготовленной на 3D-принтере. Воронка улавливает падающие из лотка подачи семена и через трубку направляет их в зону счёта, где проходящие семена периодически блокируют ИК-луч и тем самым генерируют импульсы на выходе АЦП. Полученные импульсы обрабатывает программное обеспечение микроконтроллера. Для крепления пластикового элемента на оптопаре предусмотрены фиксирующие вырезы на трубке.

При разработке программного обеспечения принималось во внимание, во-первых, удобство пользования, а во-вторых, масштабируемость, то есть возможность добавления новых функций без кардинальной переработки (например, возможность добавления в устройство весов для определения массы 100 или 1000 семян).

Для удобства пользования устройством было разработано трёхуровневое меню, управляемое энкодером со встроенной кнопкой. Схема меню представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема меню управления и индикации селекционного счётчика семян

Выбор пункта меню осуществляется вращением ручки энкодера, подтверждение выбора осуществляется нажатием кнопки. Также реализована опция возможности изменения угла наклона лотка и скорости вибромотора непосредственно в процессе отсчёта при помощи второго энкодера.

Результаты предварительных испытаний. Для отладки и проверки разработанной конструкции счётного элемента и программного обеспечения для него, а также оценки точности его работы были проведены предварительные испытания конструкции на тестовом стенде. В качестве материала для счёта использовались семена льна-долгунца сорта Надежда и семена тимофеевки луговой сорта Карабиха.

Результаты испытаний представлены в табл.

Результаты предварительных испытаний лабораторного счётчика семян

Как видно из таблицы, погрешность счёта не превышает 5%. Однако стоит отметить, что практически во всех экспериментах количество посчитанных семян было меньше фактически прошедших счётчик. Такая закономерность может быть объяснена тем, что во время испытаний накапливающийся в трубке и вибролотке мусор периодически попадает в счётное устройство и вызывает ложные срабатывания либо перекрывает интервал между попадающими в зазор оптопары семенами и мешает корректной работе. В следующей версии прибора предполагается использовать обдув падающих в воронку семян струей воздуха для предотвращения загрязнения счётного элемента.

Заключение. По итогам проведённых исследований можно сделать следующий вывод: разработана конструкция и подготовлена документация для изготовления селекционного счётчика семян для мелкосемянных культур. Разработано и отлажено программное обеспечение для селекционного счётчика семян. Проведены предварительные испытания и обнаружено, что предлагаемая конструкция под управлением разработанного ПО работоспособна и обеспечивают точность счёта на уровне погрешности в 5%, что превышает точность как устаревших АСМ-1, так и более современных отечественных аналогов.

Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России в рамках Государственного задания ФГБНУ ФНЦ ЛК (№ FGSS-2022-0005).

Литература

1. ГОСТ 12042-80 Семена сельскохозяйственных культур. Метод определения массы 1000 семян. — М.: Стандартинформ, 2011. — 4 с.
2. Официальный сайт ООО «ЛТК». — Режим доступа: https://grainlab.ru/catalog/oborudovanie-dlya-analiza-zerna/schetchik-semyan-farmtek/.
3. Atmel official site. ATMega328P datasheet. — URL: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7810-Automotive-Microcontrollers-ATmega328P_Datasheet.pdf.
4. Hinotek official site. Automatic seed counter SLY-C Plus. — URL: http://file.hinotek.com/tag-tp/Catalog-new/Catalog_Seed_counter_SLY-C-plus_ZJTP.pdf.
5. Pfeuffer official site. Automatic seed counter Pfeuffer Contador. — URL: https://www.pfeuffer.com/product/download?tx_pfeufferproducts_view%5Baction%5D=downloadfile&tx_pfeufferproducts_view%5Bcontroller%5D=Product&tx_pfeufferproducts_view%5Bfuid%5D=298&tx_pfeufferproducts_view%5Bpuid%5D=28&cHash=6bdfd5780bfdfbd35fa16d6fa31f313a.

Laboratory counter for small seeds

Abramov I. L., PhD Techn. Sc.

Prokofev S. V.

Federal Research Center of Fibre Crops, laboratory of Engineering Technologies in Agriculture

170041, Russia, Tver, Komsomolskiy prospect, 17/56

E-mail: i.abramov@vmiiml.ru

This article deals with an equipment required at breeding laboratories for seed counting. It reviews a number of currently used counters including their advantages and disadvantages. These days a relevant task is to develop a low-cost counter for small seeds with advanced electronic components. Therefore, we started a project to design a hardware, electronics and software for the automatic seed counter. We optimized the equipment so that the seeds could be delivered into a counting system via a vibratory feeder ensuring their uniform dispensing. Also, an infrared optical counting element used in this design were able to suppress light interference. Preliminary tests were conducted to confirm the effectiveness of the counter developed. Seeds of flax (Nadezhda) and common timothy (Karabikha) were used to estimate a counting inaccuracy which was up to 5%. However, almost all the experiments showed that the number of seeds counted was less than that actually passed the counter. Such a tendency could be related to various unwanted particles getting to the counting system and interfering with a counting process. To prevent the contamination of the counting system a modification to be implemented in the future would be an air jet blowing the seeds falling into a tube.

Keywords: seed counter, smallseeded crop, infrared optical counting element, microcontroller, control.

References

1. GOST 12042-80 Semena selskokhozyaystvennykh kultur. Metod opredeleniya massy 1000 semyan. — Moscow: Standartinform, 2011. — 4 p.
2. Ofitsialnyy sayt OOO “LTK”. — Rezhim dostupa: https://grainlab.ru/catalog/oborudovanie-dlya-analiza-zerna/schetchik-semyan-farmtek/.
3. Atmel official site. ATMega328P datasheet. — URL: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7810-Automotive-Microcontrollers-ATmega328P_Datasheet.pdf.
4. Hinotek official site. Automatic seed counter SLY-C Plus. — URL: http://file.hinotek.com/tag-tp/Catalog-new/Catalog_Seed_counter_SLY-C-plus_ZJTP.pdf.
5. Pfeuffer official site. Automatic seed counter Pfeuffer Contador. — URL: https://www.pfeuffer.com/product/download?tx_pfeufferproducts_view%5Baction%5D=downloadfile&tx_pfeufferproducts_view%5Bcontroller%5D=Product&tx_pfeufferproducts_view%5Bfuid%5D=298&tx_pfeufferproducts_view%5Bpuid%5D=28&cHash=6bdfd5780bfdfbd35fa16d6fa31f313a.